声学微流控器件中的物理场及表征方法的研究
发布时间：2020-08-10 12:25
【摘要】：随着微纳加工技术的成熟和芯片实验室(Lab on Chip,LOC)概念的提出,微流控作为一门操控微观区域流体行为的学科在近二十年得到了快速的发展。微流控芯片作为微型实验平台,正在革新多个学科的研究手段。以声学方式驱动的微流控芯片作为声-流体学的一个分支,具有非侵入性、高强度、易制造、低成本以及良好的生物相容性等优势,是目前的研究热点,吸引着众多中外学者的关注。显微粒子图像测速法(Particle Image Velocimetry,PIV)是一种聚焦于微观测速领域的测量手段,它利用高速摄影所得到的多帧粒子位置图,通过特定的算法计算出粒子运动场的特性,从而对微观流体领域物理场进行表征。本课题把显微粒子图像测速法与声学微流控相结合,将声体波与声表面波驱动下的微流控器件进行了探索,并研究了其中的物理规律,同时提出了一种表征流场与声场的方法。在对声学微流控领域的理论进行推演之后,具体进行了如下几大部分的实验研究:首先制备了声学体波器件,并对该器件在一维、二维声驻波场驱动下的粒子运动状况进行了记录。研究了多种粒径粒子在不同维度声波驱动下的运动特点,结合有限元模拟对粒子运动特性进行了定性研究和比较,确保了结论的可信度。然后加工了声学表面波器件,并对表面波器件中的能量演化过程,粒子排布状态进行了定量分析。同时对显微拍摄的图像进行了深层探索,最终得到了声表面波器件中粒子的运动特性、排布规律与电声转换系数。在实验设计上,将显微粒子图像测速法与声学微流控器件相结合,提出了多粒径PIV微流控流场与声场表征方法。此种表征方法无需机械扫描装置便可即时呈现二维声场与流场形态,对研究声学驱动下的微流控器件乃至其他物理场下的微流控器件均有促进作用。在对声学微流控器件中的理论与表征方法进行详细探究之后,本文又对声学微流控的一些应用进行了展望,指出了声学微流控器件在应用层面上的优势。本工作通过对声学微流控器件的研究,掌握了其中的物理场特点及粒子运动规律,并提出一种优良的表征方法,旨在解决声学微流控中理论与测量领域的一些实际问题,促进微流控器件的规范化与一致化,并为微流控的应用提供更多的思路和手段。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN492;TN65
【图文】：
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本文编号：2788075
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN492;TN65
【图文】：
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